基于单耗分析理论的IGCC系统节能分析

【摘 要】以热力学第二定律为基础，应用单耗分析理论，对整体煤气化联合循环系统进行了分析和计算，建立了各主要设备的（火用）分析模型及单耗计算公式.以典型的案例为基准，计算了该系统的附加单耗分布情况，找出了整体煤气联合循环系统中薄弱环节，为系统的节能降耗提供理论指导，为设备及系统的优化提供方向.

【关键词】整体煤气化联合循环；（火用）；单耗分析；节能

目前，能源资源和环境污染问题已经严重制约着我国经济社会的可持续发展。我国煤炭资源相对丰富，煤现在是、将来（直到2050年或更晚）仍将是我国一次能源的主力[1]。但目前燃煤发电存在污染严重，煤耗高等严重问题。无法满足当今世界追求节能环保的需求.因而发展新型的清洁煤电技术显得尤为重要和迫切。

整体煤气化联合循环（Integrated Gasification Combined Cycle， IGCC）系统是一种高效的洁净煤发电技术，被国际公认为21世纪最具发展潜力的煤电技术。然而，传统的燃煤发电技术相比，IGCC还不够成熟，比投资费用及发电成本较高，系统还存在较大的节能空间，系统还有待于进一步完善。

1 单耗分析理论

单耗分析理论是建立在热力第二定律（火用）分析基础之上的能量分析理论和方法；它以煤耗作为单一分析指标，将产品（电能）的单耗分为理论最低单耗和附加单耗；理论最低单耗为产品蕴含的（火用）值与燃料所蕴含的（火用）值的比值[2]。

理论最低单耗：

Bmin= （F/ef）/（P/ep）

其中，Bmin——理论最低单耗

F——燃料总（火用）值

P——产品总（火用）值

ef ，ep——单位燃料和单位产品的比（火用）

在没有任何附加损失的理想系统中有：F = P，则

Bmin=ep / ef

在实际系统中，不可避免的存在着各种附加损失，限于篇幅，这里省略附加单耗的推导过程，直接给出计算公式：

BI= [（ ep / ef）/P] / [EIin - EIout]

其中，BI——设备I的附加单耗

EIin，EIout——设备I的进口（火用）和出口（火用）

2 IGCC系统的（火用）平衡分析

2.1 空分装置

ΔEASU= ma1eas + maseas - m0e0 - mded - mnen

其中，ΔEASU——空分系统的（火用）损kW

ma1， mas，m0，md， mn——空分系统各进出口的物流量kg/s

eas， eas，e0，ed ，en——空分系统各进出口物流的单位（火用）KJ/kg

2.2 气化炉

ΔEGAS = mcQhc + m0e0+ mses – mslagQslag – mfef

其中，ΔEGAS——气化炉的（火用）损kW

Qhc——煤的高位发热量KJ/kg

Qslag——炉渣的高位发热量KJ/kg

mc， m0，ms，mslag，mf——气化炉各进出口物流量kg/s

e0，es ，ef——气化炉各进出口物流单位（火用）KJ/kg

图1 空分及气化系统

图2 燃气轮机系统

2.3 压气机

ΔECO = ma2ea2 – mcec - maseas + WC

其中，ma2 = mas + mc，若为独立空分时，则mas = 0，这时，ΔEC = mc （ea2 - ec ） + WC

ΔECO——压气机（火用）损kW

WC——压气机消耗轴功kW

ma2，mc，mas——压气机各进出口物流量kg/s

ea2 ，ec，eas——压气机各进出口物流单位（火用）KJ/kg

2.4 燃烧室

ΔECC = （mc-mas ）ec + Ef - mtet

其中，ΔECC——燃烧室（火用）损kW

mc，mas ，mt——燃烧室各进出口物流量kg/s

ec ，et——燃烧室各进出口物流单位（火用）KJ/kg

Ef——净化煤气的燃料（火用）kW

2.5 燃气透平：

ΔEGT = mtet -meee -（Wgt + Wc）

其中，ΔEGT——透平（火用）损kW

mt，me——透平进出口物流量kg/s

et ，ee——透平进出口物流单位（火用）KJ/kg

Wgt——透平输出功kW

图3 余热锅炉及蒸汽轮机系统

2.7 余热锅炉

ΔEH = mwew +me （ee - estack） - mstest

其中，ΔEH——余热锅炉（火用）损kW

mw，me ，mst——余热锅炉各进出口物流量kg/s

ew ，ee ，estack，est——余热锅炉各进出口物流单位（火用）KJ/kg

2.8 蒸汽轮机

ΔEST = mst（est -eout） -Wst

其中，ΔEST——蒸汽轮机（火用）损kW

Wst——蒸汽轮机输出功kW

mst——蒸汽轮机进气蒸汽流量kg/s

est ，eout——蒸汽轮机进出口物流单位（火用）KJ/kg

BST = Bmin[mst（est –eout） –Wst]/（Wst+Wgt）

3 案例计算

3.1 案例分析

根据以上平衡模型以及附加单耗公式，以某典型F级IGCC系统为例，计算各主要设备的附加单耗分布情况。

图8 某F级IGCC系统流程

系统采用Texaco气化炉，低温脱硫技术，独立空分，氮气不回注.除图中给出条件以外，计算中还需要的主要参数如下所示.净化后煤气参数为：CO55.13%，CO210.2%，CH40.009%，H232.57%，H2S 0.0011%，H2O 0.0191%，N2 1.603%，Ar 0.4731%，低位发热量为11071KJ/kg；气化炉耗氧量30.77kg/s，燃气轮机压比为15.76， 单位电能的（火用）值ep=3600KJ/kwh，标准煤的燃料（火用）近似为其地位发热量ef=29271.2KJ/kg，气体、水，水蒸气的焓、熵值由相关的热力性质表[3-4]查得.计算中采用了如下几种假设：

3.1.1 计算中涉及到的（火用）均为物理（火用），只有气化炉中涉及到化学（火用），其化学（火用）近似等于燃料的高位发热量

3.1.2 所有气体均视为理想气体，混合物时则为各气体参数的平均值

3.1.3 忽略计算中的物流动能和位能，各设备的进出口物理（火用）均为焓（火用）

3.1.4 模型中没有加入净化系统，净化系统的附加单耗为总附加单耗减去其他设备附加单耗的值

3.2 计算结果

表1 计算结果

4 结论

4.1 计算结果表明：IGCC系统中附加单耗最大的是燃烧室，占系统总附加单耗的38.52%.主要原因是燃料进入燃烧室前具有较高的发热量，出燃烧室时发热量较低，化学化学变化的不可逆性也会损失大量（火用）。可以通过提高燃气温度来降低压气机的附加单耗，但由于燃机本身的限制，提高空间不大。

4.2 气化炉的附加单耗排在第二位，占总附加单耗的19.13%.气化炉中反应十分复杂，影响因素很多，气化工艺尚未成熟，节能空间较大。

4.3 空分系统是IGCC电站的能耗大户，但其附加单耗仅占系统总附加单耗的7.98%，说明耗能量的大小并不能反应其节能空间的大小。采用整体空分及氮气回注的方式会在一定程度上降低空分系统的附加单耗。

4.4 分析份模型及计算结果来看，各设备的附加单耗是相互影响的，各设备间的匹配优化也可以再一定程度上减小系统的附加单耗，从而降低IGCC系统的能耗。

【参考文献】

[1]冯静，倪维斗，曹江，等.多联产配置是推进我国IGCC系统发展的重要途径[J].燃气轮机技术，2007，20（4）：1-5.

[2]宋之平.单耗分析的理论和实施[J].中国电机工程学报，1992，12（4）：15-21.

[3]倪维斗，李政，等.基于煤气化的多联产能源系统[M].北京：清华大学出版社，2011.

[4]吴存真，张诗针，孙志坚，等.热力过程（火用）分析基础[M].杭州：浙江大学出版社，2000.

[责任编辑：杨扬]

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